La esterificación de Fischer o esterificación de Fischer-Speier es un tipo especial de esterificación mediante el reflujo de un ácido carboxílico y un alcohol en presencia de un catalizador ácido . La reacción fue descrita por primera vez por Emil Fischer y Arthur Speier en 1895. [1] La mayoría de los ácidos carboxílicos son adecuados para la reacción, pero el alcohol generalmente debe ser primario o secundario. Los alcoholes terciarios son propensos a la eliminación . Contrariamente a la idea errónea común que se encuentra en los libros de texto de química orgánica, los fenoles también se pueden esterificar para dar un rendimiento bueno o casi cuantitativo de productos. [2] [3] Los catalizadores comúnmente utilizados para una esterificación de Fischer incluyen ácido sulfúrico , ácido p -toluenosulfónico y ácidos de Lewis como el triflato de escandio (III) . Para sustratos más valiosos o sensibles (por ejemplo, biomateriales ), se utilizan otros procedimientos más suaves como la esterificación de Steglich . La reacción a menudo se lleva a cabo sin un disolvente (en particular cuando se utiliza un exceso grande de reactivo de alcohol) o en un disolvente no polar (por ejemplo, tolueno , hexano ) que puede facilitar la destilación de Dean-Stark para eliminar el subproducto de agua. [4] Los tiempos de reacción típicos varían de 1 a 10 horas a temperaturas de 60 a 110 °C.
Las acilaciones directas de alcoholes con ácidos carboxílicos son preferibles a las acilaciones con anhídridos (mala economía atómica de la reacción) o cloruros de ácido (reactivos sensibles a la humedad). La principal desventaja de la acilación directa es el equilibrio químico desfavorable que debe remediarse (por ejemplo, mediante un gran exceso de uno de los reactivos) o mediante la eliminación de agua (por ejemplo, utilizando la destilación de Dean-Stark o incluyendo un agente de secado como sales anhidras , [5] tamices moleculares o una gran cantidad de ciertos ácidos como catalizador en la mezcla de reacción).
La esterificación de Fischer es una reacción de sustitución de acilo basada en la electrofilia del carbono carbonílico y la nucleofilia de un alcohol. Los ácidos carboxílicos tienden a ser desprotonados por los nucleófilos, lo que da lugar a un carboxilato no reactivo. Aunque son cinéticamente muy estables en ausencia de catalizadores, los ésteres tienden a hidrolizarse en presencia de agua.
Se pueden tomar varias medidas para transformar esta reacción desfavorable en una favorable. [4]
El mecanismo de reacción para esta reacción tiene varios pasos:
A continuación se muestra un mecanismo genérico para una esterificación ácida de Fischer.
Las principales ventajas de la esterificación de Fischer en comparación con otros procesos de esterificación se basan en su relativa simplicidad. Se pueden utilizar condiciones ácidas sencillas si los grupos funcionales sensibles a los ácidos no son un problema; se puede utilizar ácido sulfúrico; se pueden utilizar ácidos más débiles con una compensación de tiempos de reacción más largos. Debido a que los reactivos utilizados son "directos", hay menos impacto ambiental en términos de productos de desecho y nocividad de los reactivos. Los haluros de alquilo son potenciales gases de efecto invernadero o agotadores de la capa de ozono , carcinógenos y posibles venenos ecológicos. Los cloruros de ácido desprenden gas de cloruro de hidrógeno al entrar en contacto con la humedad atmosférica, son corrosivos, reaccionan vigorosamente con el agua y otros nucleófilos (a veces de forma peligrosa); se extinguen fácilmente con otros nucleófilos además del alcohol deseado; sus rutas de síntesis más comunes implican la evolución de gases tóxicos de monóxido de carbono o dióxido de azufre (dependiendo del proceso de síntesis utilizado).
Los anhídridos de ácido son más reactivos que los ésteres porque el grupo saliente es un anión carboxilato , un mejor grupo saliente que un anión alcóxido porque su carga negativa está más deslocalizada. Sin embargo, estas rutas generalmente dan como resultado una mala economía de átomos . Por ejemplo, al reaccionar etanol con anhídrido acético , se forma acetato de etilo y el ácido acético se elimina como un grupo saliente, que es considerablemente menos reactivo que un anhídrido de ácido y quedará como un subproducto (en una proporción derrochadora de 1:1 con el producto éster) si el producto se recoge inmediatamente. Si las condiciones son lo suficientemente ácidas, el ácido acético puede reaccionar aún más a través de la ruta de esterificación de Fischer, pero a un ritmo mucho más lento. Sin embargo, en muchas síntesis cuidadosamente diseñadas, los reactivos pueden diseñarse de manera que los anhídridos de ácido se generen in situ y los subproductos de ácido carboxílico se reactiven, y las rutas de esterificación de Fischer no son necesariamente mutuamente excluyentes con las rutas de anhídrido acético. Ejemplos de esto [ contradictorio ] incluyen el experimento de laboratorio orgánico común de pregrado que involucra la acetilación de ácido salicílico para producir aspirina .
La esterificación de Fischer es principalmente un proceso controlado termodinámicamente : debido a su lentitud, el éster más estable tiende a ser el producto principal. Esto puede ser una característica deseable si hay múltiples sitios de reacción y se deben evitar los ésteres como productos secundarios. Por el contrario, las reacciones rápidas que involucran anhídridos de ácido o cloruros de ácido suelen estar controladas cinéticamente .
Las principales desventajas de las rutas de esterificación de Fischer son su reversibilidad termodinámica y velocidades de reacción relativamente lentas, a menudo en la escala de varias horas a años, dependiendo de las condiciones de reacción. Las soluciones alternativas a esto pueden ser incómodas si hay otros grupos funcionales sensibles a los ácidos fuertes, en cuyo caso se pueden elegir otros ácidos catalíticos. Si el éster del producto tiene un punto de ebullición más bajo que el agua o los reactivos, el producto puede destilarse en lugar del agua; esto es común ya que los ésteres sin grupos funcionales próticos tienden a tener puntos de ebullición más bajos que sus reactivos parentales próticos. La purificación y la extracción son más fáciles si el producto éster se puede destilar de los reactivos y subproductos, pero la velocidad de reacción puede reducirse porque la temperatura de reacción general puede ser limitada en este escenario. Un escenario más inconveniente es si los reactivos tienen un punto de ebullición más bajo que el producto éster o el agua, en cuyo caso la mezcla de reacción debe taparse [ clarificación necesaria ] y refluirse y agregar un gran exceso de material de partida. En este caso, también se pueden añadir sales anhidras, como sulfato de cobre (II) o pirosulfato de potasio , para secuestrar el agua mediante la formación de hidratos , desplazando el equilibrio hacia los productos éster. [5] La mezcla de reacción que contiene el producto se puede decantar o filtrar para eliminar el agente secante antes del tratamiento final .
La esterificación natural que se produce en los vinos y otras bebidas alcohólicas durante el proceso de envejecimiento es un ejemplo de esterificación catalizada por ácido. Con el tiempo, la acidez del ácido acético y los taninos de un vino en proceso de envejecimiento protonarán catalíticamente otros ácidos orgánicos (incluido el propio ácido acético), lo que favorecerá la reacción del etanol como nucleófilo. Como resultado, el acetato de etilo (el éster de etanol y ácido acético) es el éster más abundante en los vinos. Otras combinaciones de alcoholes orgánicos (como los compuestos que contienen fenol) y ácidos orgánicos dan lugar a una variedad de ésteres diferentes en los vinos, lo que contribuye a sus diferentes sabores, olores y gustos. Por supuesto, en comparación con las condiciones del ácido sulfúrico, las condiciones ácidas de un vino son suaves, por lo que el rendimiento es bajo (a menudo en décimas o centésimas de punto porcentual por volumen) y los ésteres tardan años en acumularse.
El tribromuro de tetrabutilamonio (TBATB) puede servir como un catalizador eficaz, aunque no convencional, para esta reacción. [6] Se cree que el ácido bromhídrico liberado por el TBATB protona el alcohol en lugar del ácido carboxílico, lo que hace que el carboxilato sea el verdadero nucleófilo. Esto sería una inversión del mecanismo de esterificación estándar. Un ejemplo de este método es la acilación del 3-fenilpropanol utilizando ácido acético glacial y TBATB. La reacción genera el éster en 15 minutos con un rendimiento del 95 % sin necesidad de eliminar el agua.